不同结构小麦籽粒延迟发光特性

梁义涛，朱远坤，王 锋，史卫亚，庞 蕊

(河南工业大学a.粮食信息处理与控制教育部重点实验室;b.信息科学与工程学院，河南郑州450001)

0 引言

所有的生物系统都存在着对外界环境的光子辐射现象，其量上极其微弱，一般以单位时间内辐射的光子数来计量。这种普遍存在于生物系统中的超微弱光子辐射称为生物光子辐射(BPE)。通常，BPE在形式上包含自发BPE和受激BPE;其中因受光照而被激发的BPE称为延迟发光(DL)［1］。20世纪50年代，文献［2］首次观测到绿色植物受光照后有发光的现象，且这种发光远大于生物体自身的发光，这是最早研究延迟发光的报道。大量研究表明:延迟发光与生物系统的光合作用、生化氧化、细胞分裂、细胞癌变等关系密切，可以作为生物体代谢活动的一项综合指标［3－5］。

小麦是中国的重要储备粮品种，在其生产、加工、储藏、流通等环节，各项品质指标均需进行检测［6］。特别是在储藏期间，随着储藏时间的延长，小麦籽粒受自身生理活动(呼吸氧化作用)和外界环境(温度、湿度、微生物和害虫侵害等)的影响，其品质会有一定程度的劣变［7］。在小麦的各个流通环节可能造成小麦破损粒、虫蚀粒等不完善粒增多、粉质化或角质化程度发生变化等问题的出现。这些问题均会造成小麦籽粒的物理结构变化。现有的相关检测基本上是依靠人工方法或有损的方法完成，且多数只能体现小麦某一方面或某几方面的局部指标［8］。这些方法均有主观影响较大、技术复杂、检测的时间较长和属于破坏性检测等缺点［9］。综合来看，小麦籽粒的物理结构变化可反映在其内部生命状态的变化上。

近年来，基于对生物延迟发光特性与其生命状态密切相关的认识，有研究者将生物延迟发光分析技术引入粮食的物理特性及品质检测领域，并取得了初步的成果，如文献［10］测量单粒干燥大豆种子的延迟发光，研究发现种子活力与DL的一些参数有关。文献［11］研究稻谷霉变与超微弱发光特性的相关性，发现霉变稻谷随着温度、检测时间、霉变程度和霉变含量的改变而改变。文献［12］的研究表明:水稻种子活性与其超微弱发光量呈正相关的关系。文献［13］利用超微弱发光原理，设计了一套基于虚拟仪器的小麦籽粒超弱发光检测系统。提出了一种基于LabVIEW虚拟仪器技术的新陈小麦检测方法。

调研中发现:小麦籽粒在收割后到储存入库之前需要晾晒，其间还有可能遭受雨水的浸泡，使得其细胞膜结构遭到破坏。当种子吸水后，细胞膜进行修复，新陈代谢变得旺盛，但种子浸泡时间过长会给种子带来吸胀损伤以及缺氧呼吸的伤害，导致新陈代谢活动减弱。本研究尝试通过对不同年限、不同浸泡时间及去胚芽的小麦籽粒延迟发光特性的比较研究，验证分析小麦籽粒的延迟发光特性与其不同结构之间的相关性。

1 材料和方法

1.1 材料与处理方法

选择不同储藏年限的小麦籽粒:2011年6月份收获的郑麦9023小麦种子(简称为新种子)和2009年6月份收获的郑麦9023小麦种子(简称为旧种子)。

首先，选取籽粒饱满的小麦种子若干，在25℃环境温度下，分别浸泡2 h和4 h，浸泡后将小麦籽粒摊开自然风干至与浸泡前的质量相等，使种子浸泡前后质量保持不变。浸泡再干燥的目的就是使细胞膜发生变化，进而比较分析小麦籽粒由于这种内部孔洞结构变化而引起的延迟发光变化。

其次，再选取没有浸泡过的饱满新小麦籽粒若干，将其胚芽剔除，再观测小麦延迟发光的变化，从而定性的分析胚芽在小麦DL中的作用。理论上，由于小麦胚芽是小麦生命的代谢最旺盛部分，而延迟发光反映的正是小麦籽粒的综合生命状态，剔除胚芽后小麦的延迟发光变化应较为明显。最后，所制备的样品用保鲜袋分别封装。

测量前，首先称量(5±0.02)g以下样品:浸泡4 h新种子，浸泡2 h新种子和未浸泡新种子;浸泡4 h旧种子，浸泡2 h旧种子和未浸泡旧种子。将它们先后放在30℃左右的太阳光下照射30 min。光照后快速倒入石英杯(尽量平铺)，放入光屏蔽室中测量小麦籽粒辐射的光子数作为发光强度数据，数据测量单元时间为10 s，总测量时长1 000 s，获得100个数据。去胚芽后未浸泡新种子，在相同条件下进行光子数测量，总测量时长10 000 s，获得1 000个数据。

1.2 延迟发光的测量

采用北京建新力拓公司BPCL-ZL-TGC超微弱发光测量仪。测量信号包括样品的生物光子信号及探测器的本底噪声。该仪器的半导体致冷装置可以使光探测器光阴极处的温度比室温低10℃左右，保持较低的噪声计数，因此具有更低的探测下限。测量系统原理如图1所示。

图1 测量系统原理图

仪器工作电压是1 036 V(用C-14校准，使得测量效率最高)，测量前后各测一次本底，测量得到的光子数是自动减除本底噪声后的数值。为使本底稳定，测量前预热设备1 h。

2 结果分析

2.1 浸泡相同时间的新、旧小麦籽粒延迟发光特性比较

将浸泡4 h、2 h、未浸泡的新种子和旧种子在太阳光下照射30 min后，立即拿到光屏蔽室测量其延迟发光，记录小麦籽粒每10 s辐射的光子数，测量总时间是1 000 s。测量结果如图2、图3和图4所示。

图2 浸泡4 h新旧小麦延迟发光曲线

图3 浸泡2 h新旧小麦延迟发光曲线

一般的数据分析技术包含实验数据描述法和数学模型描述法［14］，本文采用指数函数对这些数据进行曲线拟合，从而建立相应的数学模型，来描述数据的特性。采用的指数拟合函数模型如下:

其中，I(t)为发光强度，当t=0时，发光初始强度I(t0)=I1(t0)+I2(t0)。参数I1(t0)、I2(t0)、k1、k2与小麦籽粒的特性有关，如新鲜度、水分含量、籽粒的形状和色泽、以及是否经过处理等。拟合效果参数比较见表1。

图4 未浸泡新旧小麦延迟发光曲线

表1数据表明:用指数函数拟合的曲线确定系数R2都较接近于1，效果均较为理想。说明拟合的曲线与原始数据较吻合，指数函数能较好地描绘小麦籽粒的DL特性。

曲线拟合后，各组依次对应的拟合方程参数如表2所示。

种子从生理成熟期就开始发生劣变，种子劣变是逐渐加深和伤害积累的结果。种子发生劣变时，膜的渗漏程度较干燥种子严重。种子劣变使膜端的卵磷脂和磷脂酰乙醇胺分解解体，使膜端失去了亲水基团，因而也就失去了水合和修复功能。由于膜内部脂肪水解和氧化，又使膜内部疏水基团解体。劣变种子再度吸水时，膜的修复很缓慢，甚至无法恢复到正常的结构，因而造成了永久性的损伤，导致正常的新陈代谢过程受到严重影响。

表1 指数函数拟合效果参数

表2 延迟发光曲线拟合参数

旧种子一般比新种子干燥，细胞膜破坏程度较深，修复需较长时间。新、旧小麦浸泡相同时间后，新种子可能快速修复完毕，而旧种子仍在进行旺盛的新陈代谢来修复细胞膜，导致旧种子发光强度都比新种子强(见图2、图3和图4)。如图2所示，浸泡4 h，旧种子延迟发光初始强度明显比新种子大，这是由于浸泡4 h后，新小麦种子细胞膜已基本修复，此时其新陈代谢没有旧种子旺盛。图3和图4中，浸泡2 h新种子和旧种子延迟发光初始强度大致相等，未浸泡新种子和旧种子延迟发光初始强度大致相等，但旧种子最终趋向的稳态值都较大。这是由于新旧种子的细胞膜都在以大致相等的速率修复，而随着时间的推移，旧种子仍在修复细胞膜，新陈代谢一直处于比较旺盛的状态。

2.2 新、旧小麦籽粒浸泡不同时间的延迟发光特性比较

种子的生命活动必须在自由态水存在的状况下才能旺盛进行。当种子水分减少至仅存在结合态水时，种子中的酶首先是水解酶就成为钝化状态，种子的新陈代谢降至很微弱的程度。小麦种子储存入库之前需要晒干，即减少自由态水，有利于种子安全贮藏。其次，种子干燥时，细胞膜遭到不同程度的破坏，这一变化大大减弱种子的生理活动，而种子浸泡后，自由态水增加，细胞膜进行修复，新陈代谢变得活跃。如图5和图6所示，浸泡4 h与浸泡2 h的小麦籽粒延迟发光明显比没有浸泡过的小麦籽粒延迟发光强。

图5说明:浸泡2 h新小麦籽粒比浸泡4 h新小麦籽粒的延迟发光初始值大，下降速率也更快，这是由于浸泡2 h新小麦种子已经修复到一个极值状态，浸泡时间过长反而会带来吸胀损伤以及缺氧呼吸的伤害，导致新陈代谢活动减弱。而图6中浸泡4 h旧小麦籽粒比浸泡2 h旧小麦籽粒初始值大，下降速率也更快，即浸泡4 h旧种子新陈代谢比较旺盛，这说明种子越干燥，自由态水越少，细胞膜破坏越严重，种子的新陈代谢越不活跃，需较长的时间种子才会达到一个极值状态。

图5 新小麦浸泡不同时间的延迟发光曲线

图6 旧小麦浸泡不同时间的延迟发光曲线

2.3 无胚芽新种子与有胚芽新种子延迟发光特性比较

测量无胚芽和有胚芽的新种子延迟发光，拟合曲线如图7所示。

图7 无胚芽新种子与有胚芽新种子延迟发光曲线

小麦胚芽是小麦生命的最旺盛部分，是小麦中营养价值最高的部分，含丰富的维生素E、B1及蛋白质等。去除胚芽，对小麦籽粒造成了严重的机械损伤，这是一个不可修复的破坏，造成了小麦籽粒组织结构的改变。相同的条件下，有胚芽小麦籽粒在每个时刻都比无胚芽小麦籽粒延迟发光要强很多。有胚芽小麦籽粒延迟发光初始强度是无胚芽小麦籽粒的6倍以上。有胚芽小麦籽粒最终的稳态值是无胚芽小麦籽粒的2倍。由此可得出结论，小麦种子的胚芽是新陈代谢的旺盛部位，也是延迟发光的主要部位，去除胚芽，改变种子的组织结构，给种子的延迟发光带来了很大影响。

3 结论

本文通过测量获得太阳光照诱导条件下各种样品的延迟发光信息，用曲线拟合技术分析试验数据，发现种子的储藏时间长短、浸泡时间长短、有无胚芽都会带来小麦籽粒组织结构及生理生化上的变化，这些变化相应地反映在其延迟发光变化上:

(1)种子越干燥，细胞膜破坏程度越深，吸水后修复需要的时间越长，修复期间新陈代谢比较旺盛，延迟发光强度越大。浸泡4 h新种子修复基本完成，延迟发光初始强度明显比浸泡4 h旧种子小;而浸泡2 h和未浸泡新种子和旧种子修复程度差不多，发光初始强度大致相等，随着时间的推移，旧种子仍在修复细胞膜，旧种子最终趋向的稳态值都较大。

(2)种子的生命活动只有在自由态水存在的情况下才能旺盛进行。当种子水分减少至不存在自由态水时，种子的新陈代谢变得很微弱，表现在浸泡过的小麦种子延迟发光都比未浸泡的延迟发光强。但浸泡时间过长会带来吸胀损伤以及缺氧呼吸的伤害，导致新陈代谢活动减弱，表现在浸泡2 h的新小麦籽粒比浸泡4 h的新小麦籽粒的延迟发光初始值大。细胞膜破坏再修复有一定范围，修复的程度以及修复的时间与细胞膜破坏的程度有关，旧小麦种子细胞膜破坏较大，修复时间也较长，表现在浸泡4 h旧小麦籽粒比浸泡2 h旧小麦籽粒初始值大。

(3)小麦种子的胚芽是新陈代谢很强的部位，是延迟发光的主要部位，去除胚芽导致延迟发光发生变化，表现在有胚芽小麦籽粒延迟发光初始强度是无胚芽小麦籽粒的6倍以上，有胚芽小麦籽粒最终的稳态值是无胚芽小麦籽粒的2倍。

试验结果表明:小麦籽粒延迟发光特性与其多项生理特性有关。储藏时间不同、浸泡时间不同、有无胚芽等都会引起延迟发光的不同。说明延迟发光可以作为反映小麦籽粒内部新陈代谢变化的一个窗口，可反映其细胞膜破坏及修复程度、胚芽有无破损等信息。可将这种科学、快速、无损的检测技术应用于粮食品质检测上，具有很好的应用前景。

［1］ 顾樵.生物光子学［M］.北京:科学出版社，2007.

［2］ Strehler B L，Arnold W，Gen J.The Relation Between Prompt and Delayed Emission in Photosynthesis［J］.Physiol，1951，34:809.

［3］ Popp F A，Li K H，Gu Q.Recent Advances in Biophotons Research and Its Application［M］.Singapore:World Science Co Ltd，1992:517.

［4］ 郭建军.大豆种子光诱导延迟发光特性研究［D］.天津:南开大学，2008.

［5］ 习岗，刘锴，徐永奎，等.生物超弱光子辐射在禽蛋新鲜度评价中的应用［J］.农业工程学报，2012，28(3):263－268.

［6］ 熊瑛，李友军.氮、磷、钾对不同筋型小麦产量和品质的影响［J］.河南科技大学学报:自然科学版，2005，26(6): 58－61.

［7］ 赵丹，张玉荣，林家，等.小麦储藏品质评价指标研究进展［J］.粮食与饲料工业，2012(2):10－14.

［8］ 何学超，郭道林，冯永建，等.小麦新陈快速鉴别方法的研究［J］.粮食储藏，2006，35(1):42－45.

［9］ 郭琳琳，孙丽琴，刘继明.储藏过程中小麦脂肪酸值变化规律的研究［J］.粮食储藏，2006，35(1):46－48.

［10］ Evelina C，Marisa G.Single Seed Viability Checked by Delayed Luminescence［J］.Eur Biophys J，2008，37:235－238.

［11］ 舒伟军，田晓静，王俊.基于生物超弱发光的稻谷霉变特性研究［J］.科技通报，2008，24(6):815－819.

［12］ 陈文利.生物光子学技术在水稻种子活力和植物应激反应中的应用研究［D］.广州:华南师范大学，2002.

［13］ 鲍杰，吴才章.基于虚拟仪器的小麦新陈度检测［J］.中国粮油学报，2011，26(6):102－105.

［14］ 徐立友，周志立，张明柱.基于MATLAB的柴油机性能试验数据的处理［J］.河南科技大学学报:自然科学版，2006，27(4):33－35，54.